某區(qū)域超軟淤泥土處理分析

郭 豐 來

(天津東方海陸集裝箱碼頭有限公司，天津　300456)

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某區(qū)域超軟淤泥土處理分析

郭 豐 來

(天津東方海陸集裝箱碼頭有限公司，天津300456)

分析了大連某區(qū)域超軟淤泥土的顆粒組成，比較了國內(nèi)典型地區(qū)超軟淤泥土的活性指數(shù)，基于粘性土微觀結(jié)構(gòu)研究成果，設(shè)定大連某區(qū)域超軟淤泥土的基本結(jié)構(gòu)特征，提出了解決超軟淤泥土的思路和技術(shù)路線。

填海造地，超軟淤泥土，吹填淤泥土，顆粒流

0　引言

圍海造地在沿海地區(qū)正在大面積展開，其中遇到的難題之一就是如何處理流泥類超軟土問題。超軟淤泥土的土性參數(shù)有以下特點(diǎn)：含水率高，孔隙比大，強(qiáng)度低，壓縮性大，不能直接作為建筑物地基使用。數(shù)值表達(dá)：含水率w>100%，孔隙比e>2，強(qiáng)度近乎于0，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N63.5<1，靜力觸探Ps<0.2 MPa，壓縮系數(shù)α>2 MPa-1。由于超軟土獨(dú)特性質(zhì)，眾多建設(shè)項(xiàng)目因超軟土處理不到位，而發(fā)生工程事故屢見不鮮。尤其是由流泥或浮泥經(jīng)過絞吸吹填到圍區(qū)，形成的吹填淤泥土，因顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生了破碎、分解，其巖土性質(zhì)更加復(fù)雜，將該類土作為土地資源加以充分利用的，且處理成功的案例就更加稀少。

目前我們遇到的問題，就是如何認(rèn)知流泥或浮泥以及由此變生的吹填淤泥土的特性，掌握其演變規(guī)律和特征，流泥或浮泥以及由此變生的吹填淤泥土，簡稱超軟淤泥土，以往的工程措施就是清除、拋棄。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，環(huán)境意識(shí)、法規(guī)的加強(qiáng)以及土地資源匱乏，迫使人們必須解決超軟淤泥土的出路，超軟淤泥土資源化利用勢(shì)在必行。本文結(jié)合圍海造地超軟淤泥土的原位觀測(cè)數(shù)據(jù)，提出處理超軟淤泥土的一些觀點(diǎn)。

1　大連某區(qū)域超軟淤泥土特性

根據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，深圳、天津、連云港、大連港4處顆粒組成結(jié)果見表1。

表1　顆粒組成分析結(jié)果　mm

按照活性指數(shù)A=Ip/膠粒含量定義，計(jì)算出4個(gè)地區(qū)活性指數(shù)，見表2。

表2　活動(dòng)性指數(shù)

大連活性指數(shù)A=1.74>[1.25]，屬活動(dòng)性粘性土，說明土的膠體活動(dòng)性影響大。粘性土的粘性表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1)吸著水聯(lián)結(jié)作用，土顆粒周圍吸著水厚度隨不同的粘土礦物成分發(fā)生變化，土顆粒間距也隨之發(fā)生變化，顯示出吸著水膜水膠聯(lián)結(jié)作用；

2)膠結(jié)作用，土顆粒間膠結(jié)物，水溶液中水溶鹽的結(jié)晶(氯化物、碳酸鹽、硫酸鹽)以及一些氧化物和腐殖質(zhì)的膠結(jié)作用，同樣與粘性土顆粒礦物質(zhì)成分相關(guān)。經(jīng)測(cè)驗(yàn)，大連超軟淤泥中蒙脫石的成分較多，而在土的組分中，蒙脫石比表面積最高，為810 m2/g，如圖1所示，使得大連超軟淤泥的粘性較高。同時(shí)，對(duì)大連深圳灣超軟淤泥進(jìn)行了C14測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果表明，淺層浮泥經(jīng)歷400多年的沉積歷史，顆粒小于2 μm含量34%～51%，孔隙比e>2，壓縮系數(shù)α1-2>2 MPa-1。可以看出，粘性顆粒、膠體顆粒含量及礦物成分和外部環(huán)境因素共同構(gòu)筑了深圳灣超軟淤泥土結(jié)構(gòu)，也使得大連超軟淤泥的活性指數(shù)較高。

圖1　膠粒含量與塑性指數(shù)關(guān)系

2　超軟淤泥土處理策略

2.1超軟淤泥土主要形態(tài)特征

因粘土顆粒含量較多，粘土顆粒表面吸附著大量吸附水，構(gòu)成吸著水膜水膠聯(lián)結(jié)作用。在海水環(huán)境下，海底水流動(dòng)力作用和波浪沖擊作用，土顆粒間膠結(jié)物的膠結(jié)作用就顯得很弱，超軟淤泥土主要以吸著水膜水膠聯(lián)結(jié)，由此表現(xiàn)出含水率高、孔隙比大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，從松散到密實(shí)狀態(tài)微觀結(jié)構(gòu)分析來看，密實(shí)狀態(tài)土顆粒聯(lián)結(jié)力強(qiáng)、土顆粒定向排列加強(qiáng)、顆粒間孔隙度大幅度降低。

2.2超軟淤泥土處理技術(shù)路線

1)超軟淤泥土水土分離(泌水)處理。

超軟淤泥土初始狀態(tài)顆粒間聯(lián)結(jié)力弱，水土分離過程顆粒間聯(lián)結(jié)力逐步增強(qiáng)，固體顆粒流動(dòng)狀態(tài)得到抑制，土體骨架逐步形成和加強(qiáng)，固體漸漸從液體、氣體混流中固定下來，外力作用下液體、氣體發(fā)生大變形位移，固體沿縮小顆粒間距離方向發(fā)生小變形位移。經(jīng)過水土分離處理后，超軟淤泥土演變成淤泥土，滿足經(jīng)典固結(jié)理論基本假設(shè)條件。

大變形理論：超軟淤泥土以水、土為主要特征的泥水混合系，大變形理論，建立在以下假設(shè)：a.壓縮過程應(yīng)變大；b.孔隙水流動(dòng)遵守Darcy定律。得出一維非線性固結(jié)方程[2]:

經(jīng)過簡化處理后得到如下公式：

其中，ζ=(1+e0)/(1+e);dz0=ζdz,z為空間坐標(biāo)；γ′為土體有效重度；mv為土體壓縮系數(shù)。由此可見，吹填淤泥土大變形可以用孔隙比加以描述，實(shí)際上其變形主要是以水體分離出、自由水排出、蒸發(fā)的過程。

2)淤泥土排水固結(jié)處理。

以太沙基一維固結(jié)理論加以描述，基本假設(shè)如下[3,4]：a.土體均質(zhì)與完全飽和；b.土顆粒與水體均不可壓縮，土體變形僅由孔隙水排出和超靜孔隙水壓力消散所致；c.土中滲流服從達(dá)西定律，土的滲透性不隨時(shí)間、應(yīng)力改變，滲透系數(shù)為常量；d.在應(yīng)力變化范圍內(nèi)，土體為理想彈性材料，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為線彈性；e.土體只產(chǎn)生豎向的滲透與壓縮。在壓縮系數(shù)αv、孔隙比e、滲透系數(shù)k、固結(jié)系數(shù)Cv、土層厚度H均為常數(shù)時(shí)，外荷p一次性瞬時(shí)施加且固結(jié)過程維持不變，得到著名的固結(jié)方程[5]：

假設(shè)土層單面排水，則邊界條件記作:

初始條件記作:

u|t=0=u0。

用傅里葉級(jí)數(shù)展開和分離變量法可得如下解析解：

根據(jù)固結(jié)度的概念，推導(dǎo)出太沙基單向固結(jié)理論解如下：

從上文中可以看到，土體變形主要來自孔隙水的排出，另一方面，要滿足正常固結(jié)過程，施加的荷載必須小于當(dāng)前土體結(jié)構(gòu)許可強(qiáng)度，以此滿足小變形條件。淤泥土經(jīng)過固結(jié)處理后，固體顆粒接觸帶聯(lián)結(jié)力得到加強(qiáng)，淤泥土演變成淤泥質(zhì)土。

3)淤泥質(zhì)土固化處理。

淤泥質(zhì)土通過摻入固化劑進(jìn)行攪拌，形成固化土，固化劑與土體礦物、結(jié)合水發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，促使顆粒接觸帶產(chǎn)生不同性質(zhì)和能量的相互作用，進(jìn)一步強(qiáng)化淤泥質(zhì)土的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)能力，淤泥質(zhì)土演變成固化土。

3　結(jié)語

通過對(duì)以往超軟淤泥土工程實(shí)踐的總結(jié)、分析，結(jié)合大變形和固結(jié)理論，參照粘性土微觀結(jié)構(gòu)研究成果，得到如下結(jié)論：

1)超軟淤泥土微觀結(jié)構(gòu)主要以吸附水膜的聯(lián)結(jié)作為連接鍵，外力作用下，表現(xiàn)出明顯的顆粒流特征；2)大連某區(qū)域超軟淤泥土，活動(dòng)性指數(shù)A>1.25，表明活動(dòng)性影響大，吸附水膜變化范圍大；3)超軟淤泥土排水固結(jié)處理過程中，排水系統(tǒng)完整性、預(yù)壓荷載大小及加荷速率影響到超軟淤泥土自身穩(wěn)定性、強(qiáng)度增長路徑和側(cè)向變形大小；4)超軟淤泥土在大荷載作用下側(cè)向位移或側(cè)向滑動(dòng)比較明顯，堆載預(yù)壓處理需要注重加荷速率、間歇預(yù)壓時(shí)間與軟土強(qiáng)度增長的匹配和協(xié)調(diào)；5)提出解決大連某區(qū)域超軟淤泥土路徑為：水土分離→預(yù)壓處理→化學(xué)膠結(jié)。

[1]遼寧丹東金地巖土工程有限公司.“大連港大窯灣港區(qū)北岸2#塘工程”勘察報(bào)告[R].2011.

[2]沈珠江.理論土力學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社，2000.

[3]曹冰.復(fù)合地基技術(shù)在北良港淤泥吹填區(qū)地基處理中的應(yīng)用研究[J].港口科技，2008(3)：13-17.

[4]錢家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算[M].北京:中國水利水電出版社，1996.

[5]房后國.深圳灣結(jié)構(gòu)性淤泥土固結(jié)機(jī)理及模型試驗(yàn)研究[D].長春：吉林大學(xué)建筑工程學(xué)院博士論文，2005.

Analysis on super soft silty soil treatment in the region

Guo Fenglai

(TianjinEasternOcean-LandContainerWharfCo.,Ltd,Tianjin300456,China)

The thesis analyzes super soft silty soil granular flow composition of the region in Dalian, and compares super soft silty soil activity index of the typical regions in China. Based on cohesive soil micro-structure research achievements, it sets basic structural characteristics of super soft silty soil in the region of Dalian, and finally puts forward the concept and technical route of solving super soft silty soil.

marine reclamation land, super soft silty soil, reclamation silty soil, granular flow

1009-6825(2016)21-0097-02

2016-05-17

郭豐來(1986- )，男，助理工程師

TU447

A